Direct detection of electromagnetically interacting ultraheavy dark matter

Het universum is gevuld met onzichtbare materie die sterrenstelsels bij elkaar houdt, en toch hebben we nog nooit een enkel deeltje ervan gezien. Wetenschappers noemen dit "donkere materie", en decennialang was de leidende theorie dat het bestaat uit zware, langzaam bewegende deeltjes die nauwelijks interageren met gewoon licht of materie. Er heeft echter een stillere mogelijkheid bestaan: wat als een deel van deze donkere materie een minuscule, zwakke elektrische lading draagt? Als dat zo is, zou het interageren met de fotonen van licht, hoe zwak ook, waardoor er een brug wordt geslagen tussen de verborgen sector en de zichtbare wereld waarin wij leven. Dit idee, bekend als "millicharged" donkere materie, suggereert dat deze deeltjes licht genoeg zouden kunnen zijn om door detectoren heen te zoeven of zwaar genoeg om er doorheen te breken, afhankelijk van hun massa. De vraag blijft of we ze kunnen vangen, en zo ja, hoe zwaar ze kunnen zijn voordat onze huidige instrumenten ze simpelweg niet meer kunnen zien.

Een team van natuurkundigen heeft nu de grenzen in kaart gebracht van ons vermogen om deze ongrijpbare deeltjes te vinden, waarbij ze zich specifiek richtten op de zwaarste denkbare kandidaten. Ze onderzochten gegevens van een breed scala aan ondergrondse experimenten die ontworpen zijn om donkere materie te vangen, waaronder enorme tanks met vloeibaar xenon, kamers gevuld met vloeibaar argon en bubbelkamers die minuscule flitsen van kokende vloeistof detecteren. Hun doel was om te bepalen hoe zwaar deze deeltjes kunnen zijn voordat de detectoren zelf blind voor hen worden. De onderzoekers ontdekten dat voor deeltjes die interageren via een elektrische lading, er een harde limiet is aan hoeveel lading ze kunnen hebben voordat ze worden afgewezen door de veiligheidssystemen die ontworpen zijn om de experimenten te beschermen. Deze limiet, of "plafond", hangt volledig af van het type detector dat wordt gebruikt.

De studie onthult een verrassend voordeel voor één specifiek type detector: de bubbelkamer. In de meeste experimenten, zoals die met vloeibaar xenon, zijn de detectoren zo gevoelig dat ze een vloedgolf aan signalen van elektronen zouden zien als de donkere materie zelfs maar een minuscule elektrische lading had. Om niet overweldigd te worden door deze ruis, verwerpen deze experimenten automatisch elk evenement dat lijkt op een elektroninteractie. Bijgevolg, als de donkere materie te veel geladen is, triggert dit een veto-systeem en wordt het weggegooid, waardoor het experiment niet in staat is het te zien. De onderzoekers berekenden dat voor vloeibaar xenon en halfgeleiderdetectoren, dit een strikte bovengrens creëert voor de lading van de donkere materie die zij kunnen zoeken. Echter, bubbelkamers werken anders. Ze zijn ontworpen om de zwakke signalen die elektronen achterlaten te negeren en alleen te reageren op de zware, krachtige klappen van atoomkernen. Omdat ze niet beschikken over een systeem dat elektronensignalen automatisch verwerpt, lijden ze niet onder ditzelfde plafond.

Dit verschil stelt het bubbelkamerexperiment genaamd PICO-60 in staat om een enorm gebied van mogelijkheden te verkennen die andere detectoren niet kunnen bereiken. Het team stelde vast dat PICO-60 de elektrische lading van donkere materie met twee ordes kan beperken ten opzichte van vloeibaar xenon-experimenten, en dat het dit kan doen voor deeltjes met massa's tot één orde groter. Deze ontdekking sluit effectief een grote kloof in onze kennis, waarbij een breed scala aan zware, millicharged donkere materie wordt uitgesloten die voorheen onbeperkt was. Voor deeltjes met massa's onder een bepaalde drempelwaarde overbrugt dit resultaat de kloof tussen wat directe detectie-experimenten kunnen zien en wat neutrino-experimenten al hebben uitgesloten.

De onderzoekers keken ook naar andere manieren waarop donkere materie met licht zou kunnen interageren, zoals het bezitten van een magnetisch of elektrisch dipoolmoment, of een specifieke interne omvang die bekend staat als een ladingradius. Voor dit soort interacties bestaat het "plafondeffect" niet, omdat de signalen die ze produceren de detectoren niet op dezelfde manier overrompelen. Het team berekende ook de limieten voor deze scenario's, waarmee de bekende beperkingen voor de massa's van donkere materie uitbreidden tot 10^17 GeV. Dit is een extreem hoge massa, ver boven wat huidige deeltjesversnellers kunnen produceren, waardoor de grenzen van wat we weten over de zwaarst mogelijke kandidaten voor donkere materie worden opgezocht.

Met het oog op de toekomst schetst de studie wat toekomstige, nog grotere detectoren zullen kunnen bereiken. Experimenten die gepland staan voor de komende jaren, zoals de multi-ton schaal DarkSide-20k en DARWIN, zullen in staat zijn om nog dieper in deze parameterruimte door te dringen. De onderzoekers suggereren dat door de manier waarop deze detectoren hun gegevens analyseren te verfijnen, met name door de regels aan te passen voor wat als een achtergrondsignaal wordt beschouwd, de huidige limieten op millicharged donkere materie nog verder omhoog kunnen worden gestuwd. Hoewel de aardkorst en de atmosfeer sommige van deze zware deeltjes kunnen tegenhouden voordat ze de ondergrondse laboratoria bereiken, laten de berekeningen zien dat dit effect voor de zwaarste kandidaten verwaarloosbaar is. Het werk biedt een duidelijk stappenplan voor waar de zoektocht naar de zwaarste, zwak geladen donkere materie vandaag de dag staat en waar deze morgen naartoe moet gaan.